1 引言
長久以來，西門子全集成自動化為廣大的用戶提供了優良的產品和解決方案。但是隨著自動化技術的進一步發展，用戶對自動化系統的期望越來越高。他們不僅僅滿足于使用自動化產品來構造一個自動化系統和實施一個自動化任務，他們期望著自動化的產品和技術可以在整個項目的生命周期里發揮更多的作用，產生更大的價值。
2 價值工程—期待更完美的解決方案
從圖1上來看，如果我們用價值工程學的方法來評估一個自動化系統的生命周期，我們可以把其分為設備安裝階段、系統調試階段、設備投產運行階段以及老化維修階段。一般意義上講，最終用戶和業主只能在設備投入生產運行以后才能從自動化系統中獲得收益，而用戶的投資則在安裝的初期為最大，隨著設備采購數量的減小而減小。在進入系統調試階段以后，主要的費用為調試工程技術人員和生產時間的占用。其中調試周期越長，則生產投運就越晚，帶來的損失和投入就越大。而進入設備老化和維護階段費用又有所上升，這主要是由于產品的老化和配件的支出。我們期待著使用全集成自動化技術特別是SIMATIC的基于PROFIBUS的系統診斷技術，為用戶和業主在安裝階段、調試階段以及設備老化階段創造更多的利潤和效益。從設備安裝階段來看，如果能夠有效的縮短安裝周期，提高安裝質量，最多可以減少8%左右的安裝費用。(單擊鼠標)進入調試階段如果能夠有效的加快調試進度通常可以縮短整個工期的10%，也就意味著生產可以提前進行。當然，在設備投入生產運行階段減少停機時間是用戶特別是一線維修維護人員最關心的問題。進入老化維修階段以后，我們的目標是硬件故障可以在5分鐘之內排除，這樣就可以大大的減小現場維護的工作量，提高自動化系統的生產效率。
圖1 利用價值工程學評估自動化系統的生命周期
3 SIMATIC是基于PROFIBUS的診斷技術
SIMATIC是基于PROFIBUS的診斷技術，能夠優化自動化系統的價值工程，如圖2所示。它可以為整個項目的生命周期提供支持。從設備的安裝，系統的調試以及系統運行和維護階段，系統診斷技術可以為安裝工程師、調試工程師提供豐富詳細的系統診斷信息;可以對設備操作員、一線電器維護人員以及生產設備的管控人員提供精確詳細的設備診斷信息。并且，由于全集成自動化的特點，這些診斷信息可以非常輕松的以圖形化的方式有效的、迅速的顯示在人機界面上。
圖2 SIMATIC的診斷技術示意圖
4 設備安裝階段
首先我們來看，在設備安裝階段如何有效的排除安裝錯誤，如圖3所示。
圖3 PROFIBUS系統診斷技術
4.1 通訊電纜的快速連接技術
我們知道PROFIBUS是一套低電壓、高頻的實時差分信號系統。因此，通訊電纜的連接質量和信號品質就顯得尤為重要。據我們的經驗，95%的系統安裝錯誤和通訊問題都是由通訊電纜連接不當造成的。因此，西門子公司提供了一整套快速有效的連接方案，如圖4所示。其中包括特殊設計的快速連接電纜，快速連接接頭，以及快速剝線工具。在圖4上我們可以看到，根據選定的快速連接接頭的型號，我們可以非常容易的在剝線工具上測量出需要剝線的長度，然后由于剝線工具當中內置的多層刀片可以非常精確的將保護層、屏敝層和支持層的電纜一次剝去，通過這種方式，可以杜絕由于屏敝層的長度不足或者通訊線過長引起的電磁兼容性問題。
圖4 快速有效的連接方案
5 調試階段
在調試階段最主要的工作就是如何迅速有效的優化現場設備之間的通訊關系，排除錯誤源。
5.1 手持式總線物理測試儀BT200
手持式總線物理測試儀BT200是專門針對PROFIBUS現場連接質量的評估而設計的，如圖5所示。BT200的設計對象是現場的電器施工人員。因此，通過簡單的LED顯示和清晰明了的按鈕設計一般的電器人員不需要非常專業的PROFIBUS通訊和網絡知識背景就可以能夠獨立的對現場網絡的連接質量進行評估和檢查，通過離線模式將檢測的結果傳輸到計算機上。BT200手持式總線物理測試儀能夠非常簡單的完成對于總線電纜的斷線故障、短路故障、電壓波動進行檢查，同時通過定位電纜反射的技術可以判定電纜的長度，這樣，就能夠解決大多數現場連接的錯誤。對于連接到PROFIBUS總線上的單個設備，測試儀也能夠對它們的PROFIBUS接口電路進行測試。在測試儀內部，已經集成了RS485驅動器，內置了5伏電壓和RTS信號。手持式總線物理測試儀可以自動偵測所有現場可訪問站點，并生成活動站列表。目前，測試儀支持多種語言版本，如圖6所示。
圖5 手持式總線物理測試儀 BT 200
圖6 BT200的功能
所有的檢測結果都可以非常輕松的通過點對點電纜傳輸到PC機上，BT200附帶的專用軟件包可以有效的對數據進行分析和處理，如圖7所示。
圖7 BT200的數據報告功能
測試報告可以包括系統電纜單個通訊結點的測試結果以及電纜連接品質報告。這些報告可以作為工程驗收和質量控制的技術依據，如圖8所示。
圖8 BT200生成的測試結果報告
5.2 STEP7集成的診斷功能
除了手持式的測試儀我們還可以利用STEP7集成的診斷功能對項目進行分析，如圖9所示。首先，我們可以通過STEP7上載當前的總線配置，它的工作過程是這樣的:STEP7自動偵測連接到PROFIBUS上的所有可訪問站點，然后確認每一個活動站的狀態，讀取活動站的實際組態信息。這些信息被存儲在STEP7的緩存區里，工程師可以通過連接在線的方式對所有的信息進行訪問。由于不需要啟動PROFIBUS主站就可以完成上述工作，因此工程師可以有選擇的對整個項目的各個工藝段和自動化系統進行診斷。
圖9 STEP7集成的診斷功能
(1) STEP7可以遠程對單個站點進行控制
STEP7還可以遠程對單個站點進行控制，如圖10所示。通過在線連接的方法工程師可以訪問到遠程站的任意一個槽位，并對當前值進行修改和強制。這個過程同樣不需要啟動PROFIBUS主站就可以完成。因此，工程師可以有效的對所有連接在現場的站點進行獨立的操作和測試。
圖10 STEP7能實現遠程診斷功能
(2) STEP7還可以對PROFIBUS主站的診斷緩存區進行訪問
STEP7還可以對PROFIBUS主站的診斷緩存區進行訪問。由于每一個連接在現場的設備都會發送相應的診斷報文到PROFIBUS主站，因此，在緩存區內工程師可以發現所有想了解的診斷事件的詳細內容。這些診斷事件被分成兩大類，一大類是由于現場的信號觸發的外部事件，另一大類是由系統內觸發的內部事件。所有的事件都附帶有時間標簽(包括月、日、年、小時、分鐘、秒和毫秒)每一個診斷事件都包含了一定長度的詳細信息描述，因此，工程師可以準確的通過時間來分析診斷事件發生的原因、位置并制定出相應的對策。用戶還可以自己定義一些用戶事件，在某些條件滿足的時候，發送診斷報文到PROFIBUS主站。
(3) STEP7還可以不通過緩存區直接訪問到實時的診斷信息
STEP7還可以不通過緩存區直接訪問到實時的診斷信息。通過在線連接的方式，STEP7可以通過PROFIBUS的路由功能對單個遠程活動站進行訪問。可訪問的信息包括某站點的槽位信息、通道信息和對應的錯誤類型，相應的錯誤代碼可以在STEP7的幫助文件中獲得。
(4) STEP7工程軟件非常容易的完成項目的調試
通過STEP7這樣的工程軟件，工程師可以非常容易的完成項目的調試，那么在設備的運行階段對于最終用戶和一線的操作維護人員，系統診斷功能主要要滿足迅速定位故障，減小停機時間。
6 診斷中繼器
圖11為最新開發的帶有診斷功能的中繼器，它可以對整個生產自動化系統進行連續不間斷的專家級診斷。標準中繼器的功能主要是為了解決信號在遠距離傳輸過程中引起的衰減和延遲問題，標準中繼器可以有效的對信號進行放大和再生處理，從而擴展網絡的規模、保證良好的通訊質量。帶有診斷功能的中繼器集成了標準中繼器的所有功能，同時具備了強大的診斷功能。在系統配置當中診斷中繼器作為一個單獨的從站出現。在STEP7和其他標準PROFIBUS網絡的配置工具當中都可以輕松的組態這個設備。那么，診斷中繼器到底有哪些功能呢？
圖11 “診斷中繼器”
6.1 技術特點
如圖12所示，我們看到，除了簡單的診斷功能包括PROFIBUS數據線的斷線故障，數據線之間以及數據線和屏敝層之間的短路故障包括丟失總線終端電阻之類的故障以外，診斷中繼器還可以實施專家級診斷的功能。比如，PROFIBUS網段的名稱解析，系統故障定位，站點之間的距離測量以及生成詳細的故障類型報告(比如傳感器斷線和短路)。
圖12 “診斷中繼器”的功能
診斷中繼器對于PROFIBUS網絡的診斷首先從系統總線的拓撲邏輯幀測開始。通過調用SFC103診斷中繼器可以輕松的獲得所有網絡的實際拓撲結構和當前可訪問站的列表。由于集成了3個PROFIBUS接口，因此中繼器可以實現PROFIBUS主站的單側連接以及連接兩個子網。
在診斷中繼器的內部集成了兩個測量系統來完成電纜的反射計算從而有效的提高了測量精度和可靠性。集成普通中繼器的功能可連接高達62個PROFIBUS站點，如圖13(a)所示。自適應網絡的通訊速率最高可達12兆/秒。最多在一個系統中可以部署9個級聯的中繼器。
圖13(a) 診斷中繼器的技術特點
診斷中繼器對于PROFIBUS網絡的診斷甚至可以通過圖形化的方式來實現。通過在線連接方式工程師可以任意一個連接網段進行訪問。診斷中繼器可以以圖形化的方式顯示故障的具體位置，比如在節點X和Y之間，如圖13(b)所示，并且可以計算出具體的位置(精確到米)。同時診斷中繼器還可以報告可能引發故障的原因，并給出技術建議。
圖13(b) SIMATIC系統的診斷平臺
診斷中繼器還可以用圖形化的方式顯示出當前PROFIBUS網絡的拓撲邏輯，檢測的結果可以顯示在STEP7中或者存儲到用戶的數據區內。在診斷中繼器的內部同樣集成了診斷緩存區。對于每一個連接的網段它都可以存儲最后10個發生的診斷事件，并且對于每一個診斷事件都提供了基于時間戳的詳細信息和圖形化的顯示方式，如圖13(c)所示。
圖13(c) 診斷中繼器的緩存區
診斷中繼器還可以生成一份基于時間軸的通訊質量的評估報告。我們可以看到由于診斷中繼器內部內置了示波器功能因此在橫軸上是基于時間的標記，在縱軸上顯示的是當前網絡內發生的通訊沖突和通訊錯誤的數量。所以我們可以非常容易的通過圖14來判定當前網絡的運行狀態和質量并且由此發現引起網絡通訊質量下降的原因并有效的改善。這一統計學結果可以作為工程驗收質量控制和系統評估的技術依據。圖14 診斷中繼器生成的評估報告
7 系統診斷信息的報告和顯示
7.1 在HMI上顯示診斷結果
對于一線的操作人員和維護人員而言，直觀、迅速、清晰的顯示是他們對診斷系統的主要要求。在全集成自動化的框架內系統內所有的活動子站都會定期的發送診斷報文到PROFIBUS主站，而PROFIBUS主站也會自動的和定期的將診斷報文傳輸到人機界面系統，如圖15所示。因此，工程師們無需對這個過程進行干預和編程就可以在人機界面上得到詳細和清晰的信息。
圖15 PLC與HMI的互連示意圖
7.2 數據庫統一共享
在STEP7中由于在控制系統內的變量定義和標簽與人機界面系統當中的變量定義和標簽完全一致并且共享統一的數據庫。因此，用戶不需要對信息在自動化控制層和人機界面層傳輸進行干預和編程。簡單說這一過程是自動觸發并且由全集成自動化的框架來實現，如圖16所示。
圖16 數據庫共享
7.3 診斷畫面的生存
在全集成自動化的人機界面端，用戶可以免費得到一個預先定義并設計好了的診斷畫面。在這個診斷畫面上通過PLC自動完成診斷數據包功能調用(FB125)，現場人員可以直接看到整個自動化系統的診斷畫面，如圖17所示。并且可以有選擇的訪問單個結點。在單站瀏覽的界面當中系統會報告結點的狀態、隸屬關系、發生故障的槽位以及通道號甚至可以清晰的指明由于外部接線和傳感器引起的故障信息和類型。
圖17 診斷畫面的自動生成
7.4 系統診斷包—WINCC
在Wincc的畫面當中，用戶同樣可以免費得到一個更強大的診斷畫面，如圖18所示。對于單個通道(IO)的診斷信息，最多可以提供570種不同的故障代碼。這些故障代碼包括了所有可能引起故障的硬件錯誤、通訊錯誤、接線錯誤和外部傳感器錯誤。一般來講這570種錯誤代碼可以幫助現場的維修維護人員迅速發現故障的位置和產生故障的原因并且有針對性的排除故障。這也就是我們提出的5分鐘維修的一個基本前提。
圖18 系統診斷包—WinCC
目前對于西門子公司的絕大多數可編程序控制器和分部式現場設備(ET200)以及人機界面產品都已經集成了這些診斷功能。PLC端和人機界面端的綜合解決方案如圖19所示。
圖19 故障診斷的綜合解決方案
參考文獻
[1] SIMTIC 使用說明書[Z].
[2] BT200使用手冊[Z].
作者簡介
楊大漢(1975-) 畢業于清華大學機械工程系，現任職于西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團自動化系統部，主要從事現場總線和故障安全控制的技術推廣工作。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
